一种换流器子模块、控制方法及换流器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种构成串联型AC/DC换流器的换流器子模块，控制方法及换流器。换流器子模块(12)包括第一级联电路、第二级联电路、储能器和均压电阻。与储能器并联连接的第一级联电路(100)，为三相桥式电路，第一级联电路具有交流电压接线端子(L1，L2，L3)；所述均压电阻并联于储能器两端；与储能器并联的第二级联电路(200)由熔断器(9)、半导体单元(10)和机械开关(11)组成，通过接线端子X1和X2输出，所述机械开关(11)并联于接线端子X1和X2两端，机械开关(11)合闸后熔断器快速熔断，将故障模块隔离。本发明构造的换流器子模块，可以实现换流器的冗余运行，提高换流器运行的可靠性。
【专利说明】
一种换流器子模块、控制方法及换流器
技术领域
[0001] 本发明属于直流输电领域，具体涉及一种换流器子模块、控制方法及换流器。
【背景技术】
[0002] 目前可关断功率开关器件的电压等级最大只有几千伏，采用换流器单元串联的方 式，将显著减小换流器对开关器件的电压和电流承受能力的要求。将低电压的电压源型换 流器单元直流输出端串联，实现高压直流输出，从而构造出适合直流输电应用的高压直流 输电换流器。
[0003] 采用基本换流器单元串联的直流输电换流器，每个换流器单元具有交流输入端和 直流输出端，多个模块在交流侧连接到多绕组变压器，直流侧多个模块的输出端子串联。当 其中一个串联单元发生故障时，整个换流器需要闭锁停运。高压直流输电换流器具有多个 模块串联，换流器运行可靠性将受各串联单元的影响。如何在换流器故障时，有效地隔离故 障单元，实现换流器串联单元故障时换流器不至闭锁停运、从交流电网切除，是串联换流器 输电系统的关键问题。
[0004] 当直流输电换流器采用三相两电平全控桥单元的直流输出端直接串联，当串联的 换流器单元出现故障时，整个换流器的运行将受到影响。三相全控桥输出端并联有储能电 容器，直接在储能电容两端并联开关，开关合闸时电容将通过旁路开关产生几 kA~几十kA 的放电电流，从而影响换流器的稳定运行。若采用电子式开关旁路故障换流器单元，在换流 器单元故障失电的情况下电子开关可能无法可靠旁路故障模块，导致换流器退出运行，且 电子式开关造价昂贵。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，在于提供一种换流器子模块、控制方法及串联型AC/DC换流器，其 具有在换流器子模块故障时将故障模块短路，使得发生故障的换流器模块与其它运行模块 快速隔离，换流器可以继续维持运行。
[0006] 本发明通过如下方案解决上述技术问题，一种换流器子模块，所述换流器子模块 具有至少一个储能器（7)和均压电阻（8)，所述均压电阻并联于储能器两端；所述换流器子 模块还包括与储能器并联连接的第一级联电路（100)，所述第一级联电路（100)为6个功率 半导体单元组成的三相桥式电路，所述功率半导体单元通过控制信号触发导通和关断，第 一级联电路（100)具有与三相交流电路连接的交流接线端子（Ll，L2, L3);
[0007] 其特征在于，所述换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路（200)，所述 第二级联电路（200)由熔断器（9)、半导体单元（10)和机械开关组成，通过接线端子XI和 接线端子X2引出，能够与直流电路连接；所述半导体单元（10)与熔断器（9)串联后连接于 储能器（7)两端；所述接线端子XI和接线端子X2分别由半导体单元（10)第一端和第二端 引出；所述机械开关并联于接线端子XI和线端子X2两端，用于通过合闸控制将XI接线端 子和X2接线端子短路。
[0008] 上述方案中，半导体单元（10)是二极管，二极管的阳极与储能器（7)的负极端子 C-相连；二级管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的C+相连。
[0009] 上述方案中，半导体单元（10)是二极管，二极管的阴极与储能器（7)的正极端子 C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的负极性C-相连。
[0010] 上述方案中，储能器是电容器。
[0011] 上述方案中，机械开关是一个或多个真空开关管。
[0012] 上述方案中，机械开关具有合闸保持功能，保护合闸后即使在失电情况下开关能 维持合闸。
[0013] 本发明还提供一种如权利要求1所述换流器子模块的控制方法，其特征在于，通 过对第一级联电路（100)采用脉宽调制在储能器两端产生稳定的直流电压，控制机械开关 在换流器运行时处于分闸或合闸状态，换流器子模块投入或者退出运行；当换流器子模块 故障时，通过将故障换流器子模块的机械开关合闸使XI线端子和X2接线端子短路，熔断器 流过较大放电电流，快速熔断，将故障模块隔离。
[0014] 本发明还提供一种换流器，其特征在于：包含至少两个串联的权利1所述的换流 器子模块（12)、三相交流滤波器（F)和多绕组变压器（T)，换流器子模块的交流电压接头 (Ll，L2, L3)分别连接到三相交流滤波器（F)后再分别连接到多绕组变压器（T)的二次侧 绕组，多绕组变压器（T)的一次侧绕组与交流电网相连，换流器子模块的直流输出端子XI、 X2依次级联延伸，首端的换流器子模块XI端子连接到直流电路的正极端（P)，末端的换流 器子模块X2端子连接到直流电路的负极端（N)。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 1)按照本发明提出的换流器子模块构成换流器系统，每个换流器子模块具有交流 输入端和直流输出端，多个换流器子模块在交流侧连接到多绕组变压器，直流侧多个模块 的输出端子串联，采用本发明换流器子模块构成的换流器可以实现较高电压等级的双向能 量AC/DC变换。
[0017] 2)换流器通过多个换流器子模块串联提高输出直流电压等级，通过构造熔断器、 半导体单元和机械开关组成的电路结构可以在换流器子模块故障时将故障模块短路，通过 调整换流器其它换流器子模块的控制参数，可以维持换流器继续运行，解决换流器冗余运 行难题。
[0018] 3)本发明电路简洁，能够方便地对换流器单元进行电气接线，采用机械开关作为 换流器的旁路开关具有良好的经济性。换流器运行时开关处于分闸状态，当换流器子模块 故障时，可以通过控制电路将故障换流器子模块的机械开关合闸将XI线端子和X2接线端 子短路，有效地将故障模块旁路。
[0019] 4)将熔断器与机械开关配合使用实现换流器子模块冗余运行利用熔断器物理特 性限制储能器的放电，熔断器运行损耗低，可以采用自然冷却方式，另外无需附加驱动电 路，具有成本低等优点。换流器子模块的熔断器同时也可对系统发生直流侧短路的故障进 行保护。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明一种串联型AC\DC换流器的原理示意图；
[0021] 图2是本发明换流器的换流器子模块的一种实施例；
[0022] 图3是本发明的换流器子模块另外一种实施例。
【具体实施方式】
[0023] 本发明设计一种构成AC/DC换流器的换流器子模块，所述换流器子模块（12)包括 第一级联电路（1〇〇)、第二级联电路（200)、储能器（7)和均压电阻（8)。与储能器并联连接 的第一级联电路（100)，为6个功率半导体单元（S1、S2、S3、S4、S5、S6)组成的三相桥式电 路，所述功率半导体单元（SI、S2、S3、S4、S5、S6)具有可关断功率半导体（Tl、T2、T3、T4、 T5、T6)及与之反并联的续流二极管（Dl、D2、D3、D4、D5、D6)，每个半导体单元可通过控制 信号触发导通和关断，第一级联电路具有与三相交流电路接线的端子（Ll，L2, L3)，通过对 第一级联电路（100)采用脉宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并 联于储能器两端，用以实现换流器多个串联换流器子模块的均压；与储能器并联的第二级 联电路（200)，由熔断器（9)、半导体单元（10)、机械开关（11)，第二级联电路（200)具有直 流接线引出端子XI和X2,所述半导体单元（10)与熔断器（9)串联后连接于储能器（7)两 端。半导体单元（10)可以是二极管，二极管的阳极与储能器（7)的负极端子C-相连；二级 管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能器的C+相连。半导体单元（10)用 于限制熔断器（9)两端的电位差，同时可以提供续流回路。
[0024] 在换流器子模块半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2，X1连接到 第二半导体单元（10)的阴极，X2连接到第二半导体单元（10)的阳极，XI和X2之间并联 机械开关，机械开关可以一个或多个真空开关管，机械开关在换流器运行时处于分闸状态， 当换流器子模块故障时，可以通过控制电路使机械开关合闸，将XI线端子和X2接线端子短 路，从而将故障模块退出运行。机械开关可以设计为具有合闸保持功能，保护合闸后即使在 失电情况下开关能维持合闸。
[0025] 在三相桥输出端构造一个由熔断器、半导体器件和机械开关构成的电路，机械开 关可以将输出端子XI和X2短接，机械开关（11)合闸后.储能器（7)将通过熔断器（9)和 机械开关（11)构成短路放电回路，熔断器（9)流过较大放电电流，快速熔断，从而将换流器 子模块第一级联电路（1〇〇)、储能器（7)、均匀电阻（8)与第二级联电路断开，实现故障模块 隔离。
[0026] 故障换流器子模块退出运行后，通过控制可以使其它换流器子模块的电压提高从 而使直流母线电压维持不变，换流器具有冗余运行能力。
[0027] 与此不同地，按照本发明的另一个变形，换流器子模块的半导体单元（10)是二极 管，二极管的阴极与储能器（7)的正极端子C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔 断器的另一端与储能器的负极性C-相连。
[0028] 本发明还描述了对于该换流器子模块的控制方法。通过对第一级联电路（100)采 用脉宽调制在储能器两端产生稳定的直流电压，控制机械开关在换流器运行时处于分闸或 合闸状态，换流器子模块投入或者退出运行；当换流器子模块故障时，通过将故障换流器子 模块的机械开关合闸使XI线端子和X2接线端子短路，熔断器流过较大放电电流，快速熔 断，将故障申旲块隔1?。
[0029] 按照本发明提出的换流器子模块构成换流器，包括至少两个串联的换流器子模块 (12)、三相交流滤波器（F)和多绕组变压器（T)，将换流器子模块的交流电压端子（Ll，L2， L3)分别连接到三相交流滤波器（F)后再分别连接到多绕组变压器（T)的二次侧绕组，多绕 组变压器（T)的一次侧绕组与电网相连，换流器子模块的直流输出端子XI、X2依次级联延 伸，首端的换流器子模块XI端子连接到直流电路的正极端（P)，末端的换流器子模块X2端 子连接到直流电路的负极端（N)，换流器具有较高电压等级。多绕组变压器是普通多绕组变 压器、带辅助绕组的多绕组变压器、移相变压器或多带辅助绕组的移相变压器。交流滤波器 (F)可以是单电感、LC滤波器、LCL滤波器或一段导线。
[0030] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0031] 图1给出本发明换流器的一种示例。换流器具有不少于2个串联的换流器子模块， 换流器子模块的交流电压接头（L1，L2，L3)分别连接到三相交流滤波器（F)后再分别连接 到多绕组变压器（T)的二次侧绕组，多绕组变压器的一次侧绕组与电网相连，换流器子模 块的直流输出端子X1、X2依次级联延伸，首端换流器子模块经由端子XI连接到直流电路的 正极（P)，末端模块经由端子X2连接至直流电路的负极性端（N)，构成AC\DC换流器。多绕 组变压器可以是普通多绕组变压器、带辅助绕组的多绕组变压器、移相变压器或带辅助绕 组的移相变压器。具有初级绕组和次级绕组的多绕组变压器用于在换流器和交流电网之间 隔离。三相交流滤波器（F)可以是L型滤波器、LC滤波器、LCL滤波器或一段导线。
[0032] 在图1给出的实例中换流器是高压直流输电设备的部件，并且通过变压器连接至 交流电网，实现交流-直流变换及能量的传输。需要指出的是本发明提出换流器还可以是 用于电力传动的换流器。
[0033] 构成AC/DC换流器的换流器子模块（12)如图2所示，包括第一级联电路（100)、第 二级联电路（200)、储能器（7)和均压电阻（8)。与储能器并联连接的第一级联电路（100)， 为6个可关断功率半导体（T1、T2、T3、T4、T5、T6)及与之反并联的续流二极管（D1、D2、D3、 D4、D5、D6)组成的三相桥式电路，每个半导体单元可通过控制信号触发导通和关断，第一级 联电路具有与三相交流电路接线的端子（Ll，L2, L3)，通过对第一级联电路（100)采用脉 宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并联于储能器两端，用以实现 换流器多个串联换流器子模块的均压；与储能器并联的第二级联电路（200)，包含熔断器 (9)、半导体单元（10)、机械开关（11)、直流接线引出端子XI和X2,所述半导体单元（10)与 熔断器（9)串联后连接于储能器（7)两端。半导体单元（10)是二极管，二极管的阳极与储 能器（7)的负极端子C-相连；二级管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与储能 器的C+相连。半导体单元（10)用于限制熔断器（9)两端的电位差。分别在换流器子模块 半导体单元（10)两端引出直流电路接线端子XI和X2，X1连接到半导体单元（10)的阴极， X2连接到半导体单元（10)的阳极，XI和X2之间并联机械开关，机械开关可以一个或多个 真空开关管，机械开关在换流器运行时处于分闸状态，当换流器子模块故障时，可以通过控 制电路使机械开关合闸，将XI线端子和X2接线端子短路，从而将故障模块退出运行。机械 开关可以设计为具有合闸保持功能，保护合闸后即使在失电情况下开关能维持合闸。
[0034] 在三相桥输出端构造一个由熔断器、半导体器件和机械开关构成的电路，机械开 关可以将输出端XI和X2短接，机械开关（11)合闸后熔断器（9)流过较大放电电流，快速 熔断，将故障模块隔离。故障换流器子模块退出运行后，通过控制可以使其它换流器子模块 的电压提高从而使直流母线电压维持不变，换流器具有冗余运行能力。
[0035] 图3给出本发明的换流器子模块另一种实例。换流器子模块包括第一级联电路 (100)、第二级联电路（200)、储能器（7)和均压电阻（8)。与储能器并联连接的第一级联 电路（100)，为6个可关断功率半导体（T1、T2、T3、T4、T5、T6)及与之反并联的续流二极管 (D1、D2、D3、D4、D5、D6)组成的三相桥式电路，每个半导体可通过控制信号触发导通和关断， 第一级联电路具有与三相交流电路接线的端子（L1，L2，L3)，通过对第一级联电路（100)采 用脉宽调制可以在储能电容产生稳定的直流电压；所述均压电阻并联于储能器两端，用以 实现换流器多个串联换流器子模块的均压；与储能器并联的第二级联电路（200)，由熔断 器（9)、半导体单元（10)、机械开关（11)、直流接线引出端子XI和X2,所述半导体单元（10) 与熔断器（9)串联后连接于储能器（7)两端。换流器子模块的半导体单元（10)是二极管， 二极管的阴极与储能器（7)的正极端子C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔断 器的另一端与储能器的负极性C-相连。分别在换流器子模块导体单元（10)两端引出直流 电路接线端子XI和X2, XI连接到半导体单元（10)的阴极，X2连接到半导体单元（10)的 阳极。XI和X2之间并联机械开关，机械开关可以一个或多个真空开关管。
[0036] 换流器的直流输出电J3
其中Ud。为换流器的直流输电压，Ud"为每 个串联模块单元的直流输出电压。
[0037] 当其中一个换流器子模块冗余退出运行后，通过控制使其他换流器子模块的电压 Ud"提高到U' 从而使直流母线电压维持不变^
其中U' 为一个换流器子 模块退出运行后，每个串联模块单元的直流输出电压。
[0038] 按照本发明的换流器子模块的换流器的优点可以总结如下：换流器采用模块化换 流器子模块串联实现高压交流直流变换和能量传输，换流器的换流器子模块可以在故障情 况下控制机械开关合闸，实现故障模块的旁路。采用熔断器作为换流器子模块冗余运行过 程中储能器的放电回路的保护元件，可以有效地隔离故障模块，限制储能器的放电，熔断器 运行损耗低，可以采用自然冷却方式，另外无需附加驱动电路，具有成本低等优点。本发明 电路简洁，能够方便地对换流器单元进行电气接线。换流器通过配置一定数量的冗余模块， 能够实现冗余运行，从而提高了串联换流器的可靠性。
[0039] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种换流器子模块，所述换流器子模块具有至少一个储能器（7)和均压电阻（8)，所 述均压电阻并联于储能器两端；所述换流器子模块还包括与储能器并联连接的第一级联电 路（100)，所述第一级联电路（100)为6个功率半导体单元组成的三相桥式电路，所述功率 半导体单元通过控制信号触发导通和关断，第一级联电路（100)具有与三相交流电路连接 的交流接线端子（Ll，L2, L3); 其特征在于，所述换流器子模块还包括与储能器并联的第二级联电路（200)，所述第二 级联电路（200)由熔断器（9)、半导体单元（10)和机械开关组成，通过接线端子XI和接线 端子X2引出，能够与直流电路连接；所述半导体单元（10)与熔断器（9)串联后连接于储能 器（7)两端；所述接线端子XI和接线端子X2分别由半导体单元（10)第一端和第二端引 出；所述机械开关并联于接线端子XI和线端子X2两端，用于通过合闸控制将XI接线端子 和X2接线端子短路。2. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，半导体单元（10)是二极管，二极管 的阳极与储能器（7)的负极端子C-相连；二级管的阴极与熔断器的一端相连，熔断器的另 一端与储能器的C+相连。3. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，半导体单元（10)是二极管，二极管 的阴极与储能器（7)的正极端子C+相连；二级管的阳极与熔断器的一端相连，熔断器的另 一端与储能器的负极性c-相连。4. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，储能器是电容器。5. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，机械开关是一个或多个真空开关 管。6. 根据权利要求1所述换流器子模块，其特征在于，机械开关具有合闸保持功能，保护 合闸后即使在失电情况下开关能维持合闸。7. -种如权利要求1所述换流器子模块的控制方法，其特征在于，通过对第一级联电 路（100)采用脉宽调制在储能器两端产生稳定的直流电压，控制机械开关在换流器运行时 处于分闸或合闸状态，换流器子模块投入或者退出运行；当换流器子模块故障时，通过将故 障换流器子模块的机械开关合闸使XI线端子和X2接线端子短路，熔断器流过较大放电电 流，快速熔断，将故障模块隔离。8. -种换流器，其特征在于：包含至少两个串联的权利1所述的换流器子模块（12)、三 相交流滤波器（F)和多绕组变压器（T)，换流器子模块的交流电压接头（L1，L2，L3)分别连 接到三相交流滤波器（F)后再分别连接到多绕组变压器（T)的二次侧绕组，多绕组变压器 (T)的一次侧绕组与交流电网相连，换流器子模块的直流输出端子X1、X2依次级联延伸，首 端的换流器子模块XI端子连接到直流电路的正极端（P)，末端的换流器子模块X2端子连接 到直流电路的负极端（N)。
【文档编号】H02M7/23GK105991054SQ201510098639
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年3月6日
【发明人】方太勋, 姜田贵, 谢晔源, 朱铭炼, 连建阳, 段军, 殷冠贤, 刘洪德, 欧阳有鹏
【申请人】南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司